Come funzionano le pastiglie dei freni della bicicletta: la scienza dietro la potenza frenante

Ti sei mai chiesto come le minuscole pastiglie dei freni della tua bici possano fermare rapidamente il ciclista e la sua bici?

La maggior parte delle persone sa a cosa servono le pastiglie dei freni: fermano la bici. Ma pochi capiscono come funzionano realmente. Dietro ogni frenata fluida e ogni discesa controllata si nasconde un mix di fisica, ingegneria e scienza dei materiali intelligenti!

Analizziamo i principi scientifici alla base delle pastiglie dei freni e scopriamo perché alcune sono più performanti di altre.

1. Le basi: trasformare il movimento in calore

Ricordate quando, durante le lezioni di scienze, abbiamo imparato che l'energia non può essere creata o distrutta, ma solo convertita da una forma all'altra? Ecco cosa succede durante il processo di frenata!

Quando la bicicletta è in movimento, possiede energia cinetica , l'energia del movimento.

L'energia cinetica può essere calcolata come segue:

0,5 x massa del sistema x quadrato della velocità.

Quindi vediamo che l'energia cinetica totale dipende da 2 variabili:

1) la massa del ciclista e della bici

2) la velocità (quanto velocemente stai andando).

Maggiore è la massa del sistema e/o la velocità, maggiore è l'energia. La velocità, tuttavia, ha un impatto enorme sull'energia totale, poiché l'energia cinetica è funzione del quadrato della velocità.

Ogni volta che la velocità raddoppia, l'energia cinetica totale quadruplica! Ecco perché una frenata efficace e affidabile è fondamentale per affrontare lunghe discese in bici!

Per quanto riguarda i freni a disco idraulici, ormai fin troppo comuni sulla maggior parte delle bici, quando si tirano le leve dei freni, il liquido dei freni viene spinto verso:

1. La pinza del freno che spinge le pastiglie contro il rotore
2. L'attrito tra la pastiglia e il rotore converte l'energia cinetica in energia termica (calore), potenzialmente anche in energia sonora (freni che stridono) 😖
3. Il rotore e l'aria circostante dissipano il calore.

Si tratta di un processo di conversione preciso: movimento (energia cinetica) > attrito > calore (energia termica) > la bici si ferma.

Troppo poco attrito = scarsa frenata.

Troppo calore = scolorimento dei freni, pastiglie dei freni lucide e persino deformazione del rotore!

Ecco perché la progettazione delle pastiglie dei freni si concentra sul controllo dell'attrito e del calore, non solo sulla loro creazione.

2. Attrito: il fondamento della potenza frenante

Le pastiglie dei freni fermano la bicicletta attraverso due tipi di attrito:

Attrito adesivo

Quando la pastiglia preme contro il rotore mentre i rotori sono in movimento, l'attrito e il calore trasferiscono uno strato di materiale della pastiglia sui rotori . Questo è chiamato strato di trasferimento: immagina le superfici stradali quando un'auto fa un burnout o una derapata.

Questo strato di trasferimento è il motivo per cui è così importante rodare correttamente i rotori ! Ogni ciclista con una bici con freni a disco può confermare quanto sia debole la potenza frenante dei freni a disco finché non sono ben rodati.

Durante la frenata, questo strato di trasferimento si lega momentaneamente e frena , rallentando la bici ed è molto meno distruttivo rispetto all'altro tipo di attrito di cui parleremo: l'attrito abrasivo.

Attrito abrasivo

Ciò si verifica quando la superficie della pastiglia sfrega delicatamente contro il rotore . Ogni volta, rimuove un minuscolo strato di materiale, convertendo l'energia in calore. Questo porta a un'usura più rapida delle pastiglie e a danni al rotore, ma questo è l'inevitabile costo di fermare la bici! L'energia deve pur andare da qualche parte...

3. Calore: il nemico nascosto

In caso di frenata brusca, le temperature all'interfaccia pastiglie-rotore possono raggiungere i 250 °C !

Esempio:
Un ciclista di 75 kg + una bicicletta di 9 kg che viaggiano a 40 km/h trasportano circa 5185 J di energia cinetica. In una singola frenata da 40 km/h fino all'arresto completo, il più bruscamente possibile, i due rotori dei freni si riscaldano di circa 47 °C . Questo valore viene calcolato utilizzando l'equazione fondamentale del trasferimento di calore.

ΔT​ =Q/( m × c) , Dove:

• $Q$ è l'energia termica (l'energia cinetica di 5185 J),
• $m$ è la massa del rotore (si presume sia 110 g), e
• $c$ è la capacità termica specifica del materiale del rotore (ipotizzando che si tratti di acciaio inossidabile).

Supponiamo inoltre che la forza frenante venga alla fine distribuita tra 2 rotori identici e che non vi sia alcun trasferimento di calore tra l'aria e il sistema del rotore.

Cambiando le cose, diciamo che freniamo a 50 km/h con le stesse condizioni di prima, i singoli rotori si surriscalderebbero di 88 °C ! Ricordate, questo non tiene conto della temperatura ambiente.

Possiamo vedere a quale livello di sollecitazione devono resistere i rotori e le pastiglie dei freni, soprattutto su discese lunghe e veloci o su sistemi più pesanti come le eBike.

Naturalmente, le pastiglie e il rotore devono gestire questo calore in modo adeguato. In caso contrario, iniziano i problemi:

• Fading dei freni: quando si surriscalda, il materiale delle pastiglie dei freni perde attrito, con conseguente calo improvviso della potenza frenante. Per questo motivo, i produttori di pastiglie dei freni come Shimano aggiungono alette di raffreddamento al supporto delle pastiglie.
• Vetrificazione: avviene quando il tampone si scioglie leggermente, si indurisce e diventa liscio, riducendo la presa.
• Deformazione del rotore: l'espansione termica non uniforme piega il rotore, causando pulsazioni o sfregamenti.

Se avete mai visto rotori in acciaio diventare gialli/marroni/viola/blu, questo è un segno che l'acciaio ha iniziato a ossidarsi, indicando temperature ben oltre i 200 °C.

4. Bilanciare tutto: calore, trazione, controllo

A livello pratico, sia l'attrito che la gestione del calore determinano l'efficacia del sistema frenante di una bicicletta. Ma proprio come nelle auto, i freni delle biciclette non possono generare una forza illimitata o resistere a temperature estreme per sempre.

Anche le migliori pastiglie e dischi freno hanno dei limiti. Se li si spinge troppo forte, si surriscaldano, si vetrificano o si sbiadiscono. Ma c'è anche un altro limite: la trazione .

Non importa quanto siano potenti i freni, la loro efficacia frenante dipenderà dalla capacità degli pneumatici di aderire alla strada o al sentiero . Se la forza frenante supera la trazione, gli pneumatici slittano o perdono aderenza, riducendo il controllo e aumentando lo spazio di arresto.

Ecco perché un buon impianto frenante non si basa solo sulla pura potenza frenante. È una questione di equilibrio tra:

• Generare sufficiente attrito per fermarsi rapidamente e in sicurezza
• Gestire il calore in modo che i freni rimangano costanti e
• Abbinare tale potenza alla capacità dello pneumatico di mantenere l'aderenza.

Dal punto di vista progettuale, i freni per biciclette moderni ruotano attorno a questo compromesso. L'obiettivo è offrire le massime prestazioni di frenata senza sacrificare controllo o stabilità , indipendentemente dalle condizioni: asfalto asciutto, ghiaia o sentieri in discesa bagnati.

5. Materiali delle pastiglie dei freni

Considerata l'ampia varietà di situazioni in cui ci si può trovare con la propria moto, i produttori hanno creato una selezione di pastiglie freno formulate con mescole diverse, ciascuna più adatta a una determinata caratteristica di guida rispetto all'altra.

Le mescole per pastiglie dei freni possono essere formulate utilizzando un'ampia varietà di composti, ecco perché ogni produttore di pastiglie dei freni custodisce gelosamente la propria ricetta esclusiva!

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6. Considerazioni finali

La frenata non è solo una questione di forza: è una questione di controllo, costanza e sicurezza . Dietro ogni frenata fluida c'è un equilibrio tra fisica e progettazione dei materiali.

Le pastiglie dei freni gestiscono questo equilibrio ogni volta che pedali. Quindi, quando è il momento di sostituirle, scegli pastiglie progettate con vera scienza alle spalle. Perché quando si tratta di potenza frenante, hai bisogno di freni di cui ti puoi fidare.

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Con ❤️,
Tim